Faraday e Maxwell: Campi, simmetrie e luce(Massimo Nocente)

FARADAY E MAXWELL: CAMPI,
SIMMETRIE E LUCE
Una crisi annunciata
Massimo Nocente
L’elettromagnetismo domina la nostra vita quotidiana
Fenomeni elettrici e magnetici fino a fine Settecento: due
realtà distinte (e scarso interesse)
Effetti elettrici dovuti a
strofinio
Attrazione magnetica tra
alcuni materiali
Bussola: 1200 d.C.
Uno studio rigoroso della forza tra due cariche elettriche:
l’esperimento di Coulomb
• La forza elettrica si
manifesta tra cariche
• Può essere di natura
repulsiva o attrattiva
• Mostra le stesse
dipendenze della legge
di gravitazione
universale
Legge di
Coulomb
𝒒𝟏𝒒𝟐
𝑭=𝒌 𝟐
𝒓
𝒎𝟏𝒎𝟐
𝑭=𝑮
𝒓𝟐
Legge della
gravitazione
universale
Il problema dell’interazione a distanza e il concetto di
campo
Concezione newtoniana
q1
F12
F21
Concezione di campo
(Faraday)
q2
La forza tra due corpi è
esercitata
istantaneamente a
distanza
(velocità infinita di
“propagazione
dell’interazione”);
l’interazione tra i corpi è
diretta
L’interazione non è tra le
cariche, ma tra la carica e il
campo (elettrico), che è il
mediatore dell’interazione
Una metafora per comprendere il concetto di campo
Sorgente del campo
Oggetto su cui
(q1>0)
agisce il campo
Campo
(q2<0)
𝒒
𝑬=𝒌
𝟏
𝒓𝟐
In assenza di campo la carica q2 non è in moto
In presenza di campo, prodotto da q1, lo spazio è permeato
dal campo e la carica q2 si muove, perchè soggetta al campo
Problema aperto: Con quale
velocità propaga il campo?
Correnti e fenomeni magnetici
Per generare un campo elettrostatico
servo cariche ferme
Che cosa generano le
cariche in movimento =
correnti?
B
I campi
magnetici
sono generati
dalle correnti
e agiscono
sulle correnti
Simmetria tra cariche ferme e in moto: sorgenti dei e
soggette ai rispettivi campi
Campi elettrici e magnetici si possono indurre l’un l’altro
B
Michael Faraday
Un flusso di campo magnetico variabile Campo
nel tempo induce un campo elettrico elettrico
(si può mostrare anche il viceversa)
Campo
magnetico
L’unificazione di fenomeni elettrici e magnetici
nelle equazioni di Maxwell
𝝆
𝛁∙𝑬=
𝝐𝟎
𝛁 ∙ 𝑩 =0
𝝏𝑩
𝛁×𝑬=−
𝝏𝒕
𝝏𝑬
𝛁 × 𝑩 = 𝝁𝟎 𝑱 + 𝜺𝟎 𝝁𝟎
𝝏𝒕
Campo elettrico e
magnetico propagano
come onde a
velocità finita:
le onde
elettromagnetiche
A che velocità propagano le onde elettromagnetiche?
Esperimento di Fizeau sulla
Teoria di Maxwell
velocità della luce
𝟏
𝒄 ≈3∙108 m/s
8
𝒄=
≈3∙10 m/s
𝜺𝒐 𝝁𝟎
La luce è un’onda
elettromagnetica
Si risolve anche il problema dell’interazione istantanea
(Concetto di potenziale ritardato o di Liénard-Wiechert)
q1
q1
Il ricevitore “vede”
la carica al tempo
t’=t-Dx/c
non a t
Velocità finita di propagazione del campo!!!
E’ “solo” una teoria?
Hertz dimostra
la produzione e
la rivelazione
delle onde e.m.
Marconi e la radio (1901)
Prima illuminazione elettrica del
teatro alla Scala (1883)
Le leggi fondamentali e i fatti più importanti della fisica sono stati tutti
scoperti, e sono così ben stabiliti che è assolutamente remota la possibilità
che vengano soppiantati a seguito di nuove scoperte.
Albert Michelson, 1899
L’inizio della crisi
• Le onde elettromagnetiche propagano anche nel vuoto
(a differenza delle onde elastiche e
sonore che propagano in un mezzo)
Ipotesi dell’etere
Mezzo che permea tutto l’universo:
-poco denso per permettere ai corpi
di muoversi attraverso esso
- molto rigido per permettere alla
luce di propagare ad altissima
velocità
La velocità della luce è indipendente dal sistema di
riferimento
𝒄=
𝟏
≈3∙108
𝜺𝒐 𝝁𝟎
m/s
Contraddice il
principio di
relatività galileiano
c
c+v
v
Teoria
dell’elettromagnetismo
𝒄=
𝟏
≈3∙108
𝜺𝒐 𝝁𝟎
Suggerisce
m/s
Esistenza di un
sistema
assoluto
(etere; Newton)
Contraddice
Ciascuna teoria NON
è contraddetta dai
dati sperimentali
dell’epoca
Serve un nuovo
paradigma
Relatività
galileiana
𝝆
𝛁∙𝑬=
𝝐𝟎
𝛁 ∙ 𝑩 =0
𝝏𝑩
𝛁×𝑬=−
𝝏𝒕
𝝏𝑬
𝛁 × 𝑩 = 𝝁𝟎 𝑱 + 𝜺𝟎 𝝁𝟎
𝝏𝒕
Grazie
dell’attenzione!